BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC MỎ - ĐỊA CHẤT HOÀNG VĂN HOAN NGHIÊN CỨU XÂM NHẬP MẶN NƯỚC DƯỚI ĐẤT TRẦM TÍCH ĐỆ TỨ VÙNG NAM ĐỊNH Ngành: Kỹ thuật địa chất Mã số: 62.52.05.01 TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ ĐỊA CHẤT Hà Nội - 2014 ii Công trình được hoàn thành tại: Bộ môn Địa chất Thủy văn, Khoa Địa chất Trường Đại học Mỏ - Địa chất NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: 1: PGS.TS. Phạm Quý Nhân, Trường ĐH Tài nguyên và Môi trường Hà Nội 2: PGS.TS. Flemming Larsen, Cục Địa chất Đan Mạch Phản biện 1: PGS.TS Đoàn Văn Cánh Hội Địa chất Thủy văn Việt Nam Phản biện 2: PGS.TS Nguyễn Văn Hoàng Viện hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam Phản biện 3: PGS.TS Nguyễn Hồng Đức Trường Đại học Xây dựng Luận án sẽ được bảo vệ trước Hội đồng chấm luận án cấp Trường tại Trường Đại học Mỏ - Địa chất Vào hồi … giờ … ngày … tháng… năm … Có thể tìm hiểu luận án tại thư viện: Thư viện Quốc Gia, Hà Nội hoặc Thư viện Trường đại học Mỏ - Địa chất 1 MỞ ĐẦU 1. Tính cấp thiết của luận án Việt Nam có đường bờ biển dài hơn 3.260km, khu vực ven biển là nơi tập trung dân cư, kinh tế, giao thông quan trọng của đất nước. Nằm ở phía đông nam đồng bằng Bắc Bộ (ĐBBB), trên địa bàn một số huyện thuộc tỉnh Nam Định và Ninh Bình tồn tại thấu kính nước dưới đất (NDĐ) nhạt trong trầm tích Kainozoi. Nguồn NDĐ này đang được khai thác để phục vụ cho ăn uống, sinh hoạt và sản xuất của nhân dân trong vùng. Trữ lượng khai thác tiềm năng không lớn nhưng nhu cầu khai thác lớn, mực nước có xu hướng hạ thấp đáng kể (0,5÷0,7m/năm). Nguy cơ xâm nhập mặn (XNM) đã và đang diễn ra do các hoạt động khai thác NDĐ. Do vậy, cần phải nghiên cứu sự phân bố, hình thành, biến đổi chất và lượng của thấu kính nước nhạt này nhằm phục vụ khai thác bền vững, đáp ứng nhu cầu phát triển kinh tế của địa phương. 2. Mục đích và nhiệm vụ nghiên cứu Mục đích: - Nghiên cứu quá trình hình thành thấu kính nước nhạt; - Xác định hiện trạng phân bố mặn-nhạt NDĐ; - Xác định cơ chế XNM tầng chứa nước (TCN) Pleistocen (qp); - Đánh giá vai trò của các cơ chế trong quá trình xâm nhập mặn. Nhiệm vụ: Nghiên cứu cấu trúc địa chất (ĐC), địa chất thủy văn (ĐCTV); Phân tích, đánh giá và kết hợp các phương pháp địa vật lý (ĐVL) với ĐCTV/thủy địa hóa, xác định hiện trạng mặn-nhạt; Nghiên cứu sự phân bố độ mặn trong lớp thấm nước yếu nguồn gốc biển và ảnh hưởng của nó tới TCN qp; Nghiên cứu, xác định cơ chế XNM thấu kính nước nhạt, TCN qp; Thiết lập mô hình dòng chảy, mô phỏng sự phân bố, dịch chuyển ranh giới mặn-nhạt và dự báo diễn biến XNM. 2 3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu Đối tượng nghiên cứu: nước dưới đất, TCN qp vùng Nam Định; Phạm vi nghiên cứu: diện phân bố thấu kính nước nhạt, TCN qp vùng Nam Định và các khu vực liên quan. 4. Nội dung nghiên cứu Xác định hiện trạng phân bố mặn-nhạt NDĐ; Lấy mẫu, phân tích thành phần hóa học (TPHH), thành phần đồng vị của NDĐ, nước lỗ rỗng, nước mưa, nước mặt và nước biển; Xác định cơ chế XNM thấu kính nước nhạt trong TCN Pleistocen; Giải đoán các tài liệu địa vật lý, địa chất thuỷ văn; Khoan, lấy mẫu đất nguyên dạng, ép nước lỗ rỗng; Khoan các chùm lỗ khoan ĐCTV, hút nước thí nghiệm; Xây dựng mô hình dịch chuyển vật chất và dự báo XNM. 5. Cách tiếp cận và phương pháp nghiên cứu Cách tiếp cận: Tác giả luận án sử dụng các cách tiếp cận chính sau: - Cách tiếp cận thực tế; - Cách tiếp cận các kết quả nghiên cứu trước đó; - Cách tiếp cận các phương pháp nghiên cứu, đánh giá hiện đại. Phương pháp nghiên cứu: - Phương pháp thủy địa hóa/thủy động lực: nghiên cứu, đánh giá mức độ nhiễm mặn và các thông số địa chất thủy văn; - Phương pháp địa vật lý: xác định khả năng dẫn điện của đất đá; - Phương pháp đồng vị: xác định tuổi, quan hệ thủy lực giữa các TCN và nguồn gốc của NDĐ; - Phương pháp mô hình số: dự báo xâm nhập mặn NDĐ; - Phương pháp chuyên gia: trao đổi, học tập từ các chuyên gia. 3 6. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của luận án Ý nghĩa khoa học: Luận án đã góp phần làm sáng tỏ quá trình hình thành, nguồn gốc và nguồn bổ cập cho thấu kính nước nhạt. Xác định cơ chế XNM và vai trò của các cơ chế trong quá trình XNM. Tác giả đã thiết lập được các phương trình tương quan giữa các thông số ĐCTV với thông số ĐVL và đồng vị, là cơ sở áp dụng cho vùng nghiên cứu và các vùng có điều kiện ĐCTV tương tự. Ý nghĩa thực tiễn: Luận án đã xác định được hiện trạng phân bố mặn-nhạt NDĐ, đánh giá và dự báo diễn biến XNM ở vùng nghiên cứu. Kết quả nghiên cứu của luận án có thể là tài liệu tham khảo cho các nhà quản lý, quy hoạch tài nguyên nước, các nhà hoạch định chính sách và các nhà khoa học nhằm phục vụ khai thác và sử dụng bền vững nguồn tài nguyên NDĐ quý giá này. 7. Luận điểm bảo vệ Luận điểm 1: Nước nhạt trong TCN Pleistocen vùng Nam Định được hình thành trong suốt lịch sử phát triển ĐC, ĐCTV của vùng và có sự bổ cập liên tục bởi nước nhạt trong các thành tạo chứa nước bên dưới; nguồn bổ cập cho thấu kính nước nhạt này từ phía tây và tây bắc. Luận điểm 2: Thấu kính nước nhạt trong TCN Pleistocen vùng Nam Định bị xâm nhập mặn do chênh lệch áp lực giữa vùng nước nhạt với vùng nước mặn phía bắc và đông bắc; do lớp thấm nước yếu nguồn gốc biển phủ bên trên thông qua nhiều quá trình hóa lý, trong đó quá trình khuếch tán và phân dị trọng lực đóng vai trò chính. 8. Những điểm mới của luận án - Tác giả sử dụng các kết quả phân tích TPHH, thành phần đồng vị của nước lỗ rỗng, kết hợp các kết quả địa vật lý lỗ khoan, xác định sự biến đổi độ dẫn điện, theo chiều sâu và phân tích các quá trình ảnh hưởng của chúng tới TCN Pleistocen. - Luận án đã áp dụng các phương pháp ĐVL kết hợp với các phương pháp ĐCTV để xác định hiện trạng phân bố mặn-nhạt của các nguồn mặn phân bố trong các TCN và lớp thấm nước yếu nguồn gốc biển trong trầm tích Đệ tứ ở vùng nghiên cứu. 4 - Tác giả đã thiết lập được tương quan giữa các kết quả phân tích TPHH của NDĐ (Cl - , TDS) với các thông số ĐVL (độ dẫn điện, điện trở suất của khung đất đá); qua đó có thể xác định, đánh giá chất lượng NDĐ qua các thông số ĐVL. 9. Cơ sở tài liệu 9.1. Tài liệu thu thập: Các tài liệu và thông tin được thu thập từ các đề tài, dự án khác nhau. Đó là các báo cáo khoa học, báo cáo tổng kết đề tài đã công bố. 9.2. Kết quả thí nghiệm, nghiên cứu hiện trường và trong phòng thực hiện riêng phục vụ cho đề tài luận án: Luận án đã sử dụng các nguồn số liệu, kết quả thí nghiệm hiện trường và trong phòng do chính tác giả và các cộng tác viên trực tiếp tiến hành, phục vụ riêng cho đề tài luận án bao gồm: Tài liệu xác định hiện trạng phân bố mặn-nhạt NDĐ: đo trường chuyển (61 điểm) và các lỗ khoan nông (22 lỗ khoan); Các tài liệu đo ĐVL lỗ khoan của 16 lỗ khoan; Tài liệu xác định thông số ĐCTV của TCN qp từ kết quả khoan 02 chùm và hút nước thí nghiệm tại 03 chùm lỗ khoan; Các kết quả phân tích TPHH của (59 mẫu TCN, 27 nước lỗ rỗng); Các kết quả phân tích thành phần đồng vị bền của nước trong TCN, nước lỗ rỗng, nước mưa, nước mặt và nước biển (87 mẫu), đồng vị phóng xạ (32 mẫu) và đồng vị khí trơ (8 mẫu) của NDĐ; Kết quả quan trắc động thái NDĐ. 10. Cấu trúc luận án Luận án gồm 160 trang với 20 biểu bảng, 94 hình vẽ và 122 tài liệu tham khảo. Cấu trúc luận án như sau: Mở đầu Chương 1: Tổng quan nghiên cứu xâm nhập NDĐ Chương 2: Sự hình thành thấu kính nước nhạt 5 Chương 3: Nghiên cứu hiện trạng phân bố mặn-nhạt NDĐ Chương 4: Cơ chế XNM thấu kính nước nhạt, TCN Pleistocen Chương 5: Diễn biến XNM thấu kính nước nhạt TCN Pleistocen Kết luận và kiến nghị 11. Lời cảm ơn Luận án được hoàn thành tại Bộ môn Địa chất Thuỷ văn, Khoa Địa chất, Trường Đại học Mỏ - Địa chất, dưới sự hướng dẫn khoa học của PGS.TS. Phạm Quý Nhân và PGS.TS. Flemming Larsen. Trong suốt thời gian nghiên cứu, viết luận án, tác giả cũng luôn nhận được sự giúp đỡ, góp ý, của các thầy cô giáo Bộ môn Địa chất Thuỷ văn và các nhà khoa học: PGS.TS. Nguyễn Văn Lâm, PGS.TS. Nguyễn Kim Ngọc, PGS.TS. Đoàn Văn Cánh, PGS.TS. Phan Ngọc Cừ, TS. Đặng Đình Phúc, TS. Đặng Đức Nhận, PGS.TS. Nguyễn Văn Đản, PGS.TS. Nguyễn Văn Hoàng, TS. Vũ Kim Tuyến, TS. Nguyễn Thị Thanh Thủy, TS. Dương Thị Thanh Thủy, ThS. Kiều Thị Vân Anh, GS.TS. Dieke Postma, TS. Frank Wagner, PGS.TS. Christiansen V. Anders, ThS. Trần Vũ Long, ThS. Đặng Trần Trung, ThS. Nguyễn Thế Chuyên, ThS. Trần Thành Lê và các đồng nghiệp trong dự án VietAS cũng như nhiều cán bộ khoa học, chuyên môn trong và ngoài trường. Một lần nữa tác giả xin được bày tỏ lòng biết ơn chân thành đối với tất cả những giúp đỡ quý báu đó! Chương 1 - TỔNG QUAN NGHIÊN CỨU XÂM NHẬP MẶN NƯỚC DƯỚI ĐẤT 1.1. Tổng quan về nghiên cứu xâm nhập mặn NDĐ trên thế giới Trên cơ sở tổng hợp và phân tích kết quả của các công trình khoa học đã được công bố về nghiên cứu XNM trên thế giới cho thấy, tất cả các công trình nghiên cứu đều sử dụng kết hợp các phương pháp khác nhau để giải quyết một vấn đề cụ thể nào đó như đánh giá hiện trạng, xác định nguyên nhân, giải pháp khắc phục… Nhận xét chung: 6 Nguyên nhân gây nên XNM các thể chứa nước, thấu kính nước nhạt ở mỗi khu vực có thể khác nhau, phụ thuộc vào điều kiện ĐC, ĐCTV, cũng như lịch sử tiến hóa ĐC, ĐCTV của từng khu vực. Các công trình nghiên cứu đều sử dụng nhiều phương pháp khác nhau. Tổng hợp các công trình nghiên cứu có thể phân thành 4 nhóm phương pháp nghiên cứu chính được các nhà khoa học sử dụng bao gồm: Nhóm phương pháp thủy địa hóa/thủy động lực; Nhóm phương pháp đồng vị; Nhóm phương pháp địa vật lý; Nhóm phương pháp mô hình số. 1.2. Tổng quan nghiên cứu xâm nhập mặn NDĐ ở Việt Nam Xâm nhập mặn NDĐ đã và đang được các nhà khoa học Việt Nam quan tâm, hiện tượng này xảy ra ở các vùng đồng bằng ven biển, dải cồn cát ven biển và các hải đảo… do tác động của con người và các yếu tố biến đổi tự nhiên của môi trường gây ra. Nhận xét chung: Các nghiên cứu XNM thường được kết hợp trong các báo cáo đánh giá tài nguyên NDĐ, chủ yếu là điều tra, khảo sát xác định ranh giới mặn-nhạt với ranh giới TDS=1g/l, tính toán thời gian và tốc độ dịch chuyển ranh giới trên cơ sở điều kiện địa chất thủy văn của vùng nghiên cứu và lưu lượng khai thác yêu cầu. Các nghiên cứu trong nước thường áp dụng 3 nhóm phương pháp chính bao gồm: Nhóm phương pháp thủy địa hóa/thủy động lực; Nhóm phương pháp địa vật lý; Nhóm phương pháp mô hình số. 1.3. Lịch sử nghiên cứu địa chất, ĐCTV vùng Nam Định Các nghiên cứu địa chất, địa chất thủy văn của vùng Nam Định luôn gắn liền với lịch sử nghiên cứu của cả ĐBBB, bên cạnh đó đã có gần 20 đề tài dự án đã được thực hiện tại vùng Nam Định. Các đề tài, dự án đã cho thấy bức tranh tổng thể về điều kiện địa chất, địa chất thủy văn vùng Nam Định. 7 Chương 2 - SỰ HÌNH THÀNH THẤU KÍNH NƯỚC NHẠT 2.1. Vị trí vùng nghiên cứu Vùng nghiên cứu nằm ở phía đông nam ĐBBB, gồm khu vực tỉnh Nam Định và các huyện Kim Sơn, Yên Mô, Yên Khánh, Gia Viễn tỉnh Ninh Bình. Phía bắc giáp tỉnh Hà Nam, phía đông bắc giáp tỉnh Thái Bình, phía đông nam giáp biển Đông. 2.2. Đặc điểm địa chất 2.2.1. Đặc điểm địa tầng 2.2.1.1. Đặc điểm địa tầng vùng Nam Định Giới Proterozoi Các thành tạo Proterozoi trong khu vực thuộc hệ tầng Sông Hồng, phân bố rộng khắp trong vùng nghiên cứu. Thành phần khoáng vật gồm gnei biotit, silimanit, granat… Giới Mesozoi Các thành tạo Mesozoi trong vùng chủ yếu thuộc hệ Triat, thành phần là đá vôi dạng khối, sáng màu, đá vôi sét, lộ trên mặt ở phía tây, tây bắc vùng nghiên cứu, thuộc tỉnh Ninh Bình. Giới Kainozoi - hệ Neogen - thống Pliocen Gồm các thành tạo của hệ tầng Vĩnh Bảo, Tiên Hưng. Thành phần trầm tích gồm cát kết hạt nhỏ đến trung lẫn sạn sỏi, xen kẹp sét bột kết. Hệ Đệ tứ Thống Pleistocen, phụ thống dưới, hệ tầng Lệ Chi (amQ 1 1 lc) Các trầm tích của hệ tầng Lệ Chi không lộ trên mặt, bắt gặp tại phần lớn các lỗ khoan trong vùng nghiên cứu. Thành phần thạch học gồm cát sạn lẫn bột, sét màu xám, xám tro. Chiều sâu phân bố của hệ tầng từ 79m đến 132,8m. Chiều dày thay đổi từ 4m đến 26,2m. Thống Pleistocen, phụ thống giữa-trên, hệ tầng Hà Nội (a,amQ 1 2-3 hn) Các trầm tích của hệ tầng Hà Nội phân bố rộng khắp trong vùng nghiên cứu. Thành phần chủ yếu là cát, sạn sỏi xám xanh, xám vàng. [...]... phần trầm tích chủ yếu là sét bột lẫn cát hạt mịn 2.2.1.2 Đặc điểm địa tầng vùng thềm lục địa khu vực nghiên cứu Trầm tích biển khu vực nghiên cứu theo kiểu trầm tích bãi triều cửa sông châu thổ do thủy triều, có thành phần chủ yếu là cát, sạn, bột, sét, hạt mịn dần theo hướng từ đất liền ra biển 2.2.2 Đặc điểm cấu trúc địa chất vùng nghiên cứu 2.2.2.1 Đặc điểm cấu trúc địa chất vùng Nam Định Trong vùng. .. muối của nước) trong tầng chứa hoặc thấu kính nước nhạt 4.2.1.2 Định hướng nghiên cứu cơ chế XNM NDĐ trong trầm tích Đệ tứ vùng Nam Định Trên cơ sở tham khảo các nghiên cứu trước đây cho thấy định hướng nghiên cứu phù hợp khi làm rõ được các yếu tố sau: 1) Trong vùng nghiên cứu tồn tại những nguồn mặn nào? 2) Phân bố của các nguồn mặn này so với TCN nghiên cứu? 3) Ảnh hưởng của các nguồn mặn đến các... Các kết quả nghiên cứu địa chất, địa chất thủy văn, thủy địa hóa cho thấy trong vùng nghiên cứu tồn tại 3 nguồn mặn chính là: - Nước mặn phân bố trên bề mặt (nước biển); Nước mặn nằm trong cùng TCN Pleistocen với nước nhạt; Nước mặn trong lớp thấm nước yếu nguồn gốc biển 20 4.2.2 Xâm nhập mặn TCN Pleistocen do ảnh hưởng của lớp thấm nước yếu nguồn gốc biển 4.2.2.1 Sự phân bố của lớp thấm nước yếu Sự... chế xâm nhập mặn NDĐ, TCN qp, trầm tích Đệ tứ vùng Nam Định hiện nay bao gồm: 1) XNM theo phương thẳng đứng do ảnh hưởng 25 của lớp thấm nước yếu (sét, sét pha) nguồn gốc biển; 2) XNM theo phương ngang (trong TCN Pleistocen) do chênh lệch mực nước giữa vùng nước mặn (theo tuyến mặt cắt AB trên hình 4.4) 26 Chương 5 - DIỄN BIẾN XÂM NHẬP MẶN THẤU KÍNH NƯỚC NHẠT TẦNG CHỨA NƯỚC PLEISTOCEN 5.1 Xâm nhập mặn. .. phương pháp địa vật lý điện trong Địa chất thủy văn xác định ranh giới mặn/ nhạt tầng chứa nước Pleistocene vùng Phố Nối, Hưng Yên, Tạp chí Địa chất, số 305 3 Trần Vũ Long, Phạm Quý Nhân, Flemming Larsen, Hoàng Văn Hoan (2011), Cơ chế xâm nhập mặn cổ và ảnh hưởng của nó đến sự phân bố ranh giới mặn - nhạt trong các tầng chứa nước trầm tích Đệ tứ vùng Giao Thủy - Nam Định, Tạp chí KHKT Mỏ - Địa chất, 34,... Plain Aquifers, Vietnam, Hydrogeology Journal 20 5 Hoàng Văn Hoan, Phạm Quý Nhân, Flemming Larsen và nnk., (2013), Nghiên cứu nhiễm mặn nước dưới đất trầm tích Đệ Tứ khu vực cửa sông ven biển tỉnh Nam Định bằng phương pháp trường chuyển, Tạp chí Địa chất, số 334 6 Hoàng Văn Hoan, Phạm Quý Nhân, Đặng Đức Nhận, Flemming Larsen và nnk (2013), Nghiên cứu địa chất thủy văn vùng Nam Định bằng kỹ thuật đồng... gốc phía tây bắc và các trầm tích Đệ tứ tăng lên; dòng nước nhạt thắng thế và thay thế nước mặn trong các TCN 2.5 Nguồn bổ cập cho thấu kính nước nhạt 2.5.1 Phương pháp nghiên cứu Áp dụng kỹ thuật đồng vị kết hợp nghiên cứu cấu trúc ĐC, ĐCTV, xác định hướng vận động của NDĐ trong các thành tạo Đệ tứ và trước Đệ tứ, nghiên cứu nguồn gốc, quan hệ thủy lực giữa các TCN * Nghiên cứu nguồn gốc NDĐ trên cơ... hưởng của tỷ trọng chất lỏng là cơ sở tính toán, đánh giá định lượng XNM TCN qp từ lớp thấm nước yếu nguồn gốc biển 4.2 Cơ chế XNM thấu kính nước nhạt, TCN qp vùng Nam Định 4.2.1 Khái niệm chung và định hướng nghiên cứu cơ chế XNM thấu kính nước nhạt, TCN Pleistocen 4.2.1.1 Khái niệm chung Cơ chế XNM là các phương thức hoặc cách thức xâm nhập của nước mặn vào các thể địa chất chứa nước nhạt (làm tăng... chứa và lưu thông nước rất tốt, với hệ thống các đứt gãy theo hướng TB-ĐN, hướng cắm vào các thành tạo Kainozoi trong vùng nghiên cứu 2.2.2.3 Đặc điểm cấu trúc địa chất vùng thềm lục địa vùng NC Vùng nghiên cứu nằm ở khu vực phía tây bắc bể trầm tích sông Hồng, nơi tập trung nhiều đứt gãy lớn hướng TB-ĐN 2.3 Đặc điểm địa chất thủy văn 2.3.1 Các tầng chứa nước 2.3.1.1 TCN trong trầm tích Holocen trên... triệu năm trước đây (BP), nước biển rút ra, vùng nghiên cứu tồn tại môi trường lục địa, thành tạo chứa nước hệ tầng Vĩnh Bảo, TCN này được cung cấp bởi nước mưa và các TCN bên dưới cung cấp theo các đứt gãy, khe nứt karst - Sang đầu Pleistocen sớm, nước biển tiến vào thành tạo hệ tầng Lệ Chi, vùng nghiên cứu thuộc vùng cửa sông, nước có tổng khoáng hóa cao hơn có thể xâm nhập vào TCN Neogen - Thời . - ĐỊA CHẤT HOÀNG VĂN HOAN NGHIÊN CỨU XÂM NHẬP MẶN NƯỚC DƯỚI ĐẤT TRẦM TÍCH ĐỆ TỨ VÙNG NAM ĐỊNH Ngành: Kỹ thuật địa chất Mã số: 62.52.05.01 TÓM TẮT LUẬN ÁN. pháp địa vật lý; Nhóm phương pháp mô hình số. 1.3. Lịch sử nghiên cứu địa chất, ĐCTV vùng Nam Định Các nghiên cứu địa chất, địa chất thủy văn của vùng Nam Định luôn gắn liền với lịch sử nghiên. NGHIÊN CỨU XÂM NHẬP MẶN NƯỚC DƯỚI ĐẤT 1.1. Tổng quan về nghiên cứu xâm nhập mặn NDĐ trên thế giới Trên cơ sở tổng hợp và phân tích kết quả của các công trình khoa học đã được công bố về nghiên